Nykyisin näkemämme monimutkainen rakenne syntyi pienemmästä, kuumemmasta, tiheämmästä ja tasaisemmasta tilasta menneisyydessä. Täytyy olla jokin uusi energiamuoto, joka ohjaa nykyistä kiihtyneen laajenemisen vaihetta, tunnetun aineen ja säteilyn ulkopuolella. C. Faucher-Giguère, A. Lidz ja L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

Aine ja energia kertovat avaruusajalle, miten se kaartuu; kaareva avaruusaika kertoo aineelle ja energialle, miten se liikkuu. Se on yleisen suhteellisuusteorian pääsääntö, ja se pätee kaikkeen maailmankaikkeudessa, myös koko maailmankaikkeuteen itseensä. 1990-luvun lopulla olimme keränneet tarpeeksi tietoa maailmankaikkeuden kaukaisista galakseista päätelläksemme, että ne eivät vain liikkuneet meistä poispäin, vaan niiden taantuma nopeutui. Avaruuden kudos ei vain laajentunut, vaan laajeneminen kiihtyi.

etäisyys (x-akseli) on sopusoinnussa sellaisen maailmankaikkeuden kanssa, joka laajeni nopeammin menneisyydessä, mutta laajenee yhä nykyään. Tämä on nykyaikainen versio, joka ulottuu tuhansia kertoja pidemmälle kuin Hubblen alkuperäinen työ. Huomaa, että pisteet eivät muodosta suoraa viivaa, mikä osoittaa, että laajenemisnopeus on muuttunut ajan myötä. Ned Wright, perustuen Betoule et al. (2014) uusimpiin tietoihin

Ainoa selitys oli, että maailmankaikkeudessa täytyi olla enemmän materiaa ja energiaa kuin mitä olimme aiemmin päätelleet. Laajenevassa maailmankaikkeudessa – kuten siinä, jossa me elämme – materia ja energia eivät määrittele pelkästään kaarevuutta, vaan sitä, miten laajenemisnopeus muuttuu ajan myötä. Ennen 20 vuotta sitten tuntemamme maailmankaikkeuden osat olivat tavallinen aine, pimeä aine, neutriinot ja säteily. Maailmankaikkeus voi laajeta ihan hyvin noilla, mutta kaukana olevien galaksien pitäisi vain hidastua.

Kiihtyvyyden havaitseminen tarkoitti, että siellä oli jotain muutakin, ja että se ei vain ollut läsnä, vaan se oli hallitseva.

aurinkokuntamme planeettojen ja Auringon aiheuttamat vaikutukset on otettava huomioon kaikissa havainnoissa, joita avaruusalus tai muu observatorio tekee. Yleisen suhteellisuusteorian vaikutuksia, jopa hienovaraisia, ei voi jättää huomiotta. NASA/JPL-Caltech, Cassini-missiota varten

Fyysisesti yleisessä suhteellisuusteoriassa tapahtuu niin, että avaruuden kudos itsessään kaareutuu positiivisesti tai negatiivisesti vastauksena aineeseen, joka kasaantuu ja klusteroituu sen sisällä. Maan kaltainen planeetta tai Aurinkomme kaltainen tähti saa avaruuden kankaan vääntymään, kun taas tiheämpi ja massiivisempi kappale saa avaruuden kaartumaan voimakkaammin. Jos maailmankaikkeudessa on vain muutama ainerykelmä, tämä kuvaus riittää.

Toisaalta, jos maailmankaikkeudessa on paljon massoja, jotka ovat jakautuneet suunnilleen tasaisesti kaikkialle, koko avaruusaika tuntee globaalin gravitaatiovaikutuksen. Jos maailmankaikkeus ei laajenisi, gravitaatio saisi kaiken romahtamaan yhteen pisteeseen. Koska maailmankaikkeus ei ole tehnyt niin, voimme heti päätellä, että jokin on estänyt romahtamisen. Joko jokin kumoaa painovoiman, tai maailmankaikkeus laajenee.

tukee kuvaa laajenevasta maailmankaikkeudesta ja alkuräjähdyksestä. Syöttöparametrien pieni määrä ja suuri määrä havaintomenestyksiä ja ennusteita, jotka on myöhemmin todennettu, kuuluvat onnistuneen tieteellisen teorian tunnusmerkkeihin. Friedmannin yhtälö kuvaa sitä kaikkea. NASA / GSFC

Tästä koko ajatus alkuräjähdyksestä sai alkunsa. Jos näemme materiaa suunnilleen yhtä paljon kaikkialla, kaikkiin suuntiin ja etäisyyksillä lähellä, keskellä ja kaukana, tiedämme, että on oltava uskomattoman suuri gravitaatiovoima, joka yrittää vetää ne kaikki takaisin yhteen. Koska maailmankaikkeus ei ole vielä luhistunut uudelleen (eikä ole luhistumassa), jää vain kaksi vaihtoehtoa: painovoima on väärässä tai maailmankaikkeus laajenee.

Koska yleinen suhteellisuusteoria on läpäissyt kaikki testit, joita olemme sille tehneet, on vaikea väittää, että se on väärässä. Etenkin siksi, että kun maailmankaikkeus on täynnä ainetta ja säteilyä, tarvitaan vain alkuperäinen laajeneminen, jotta saadaan maailmankaikkeus, joka on nykyään:

• laajeneva,
• jäähtyvä,
• vähentyvä,
• täynnä punasiirtynyttä valoa,
• ja jolla on ollut lämmin, tiheä menneisyys.

Kuumana, tiiviinä ja laajenevana syntynyt, mutta aineella ja energialla täytetty maailmankaikkeus näyttäisi hyvin paljon samalta kuin meidän maailmankaikkeutemme näyttää nykyään.

kuvat) vastaavat kaikki maailmankaikkeutta, jossa aine ja energia taistelevat alkuperäistä laajenemisnopeutta vastaan. Havaitussa maailmankaikkeudessamme kosmisen kiihtyvyyden aiheuttaa jonkinlainen pimeä energia, joka on toistaiseksi selittämätön. Kaikkia näitä maailmankaikkeuksia hallitsevat Friedmannin yhtälöt. E. Siegel / Beyond the Galaxy

Laajeneminen alkaa nopeasti, ja gravitaatio pyrkii vetämään asiat takaisin yhteen. Se saa sinut ajattelemaan, että on kolme vaihtoehtoa sille, miten maailmankaikkeus kehittyy ajan mittaan:

1. Gravitaatio voittaa: Maailmankaikkeus laajenee aluksi nopeasti, mutta painovoima vetää asiat lopulta takaisin yhteen. Laajeneminen saavuttaa maksimin, pysähtyy ja kääntyy johtaakseen uudelleen luhistumiseen.
2. Gravitaatio ja laajeneminen ovat tasapisteissä: Alkuperäinen laajeneminen ja gravitaatio kumoavat toisensa täsmälleen. Jos maailmankaikkeudessa olisi yksi protoni lisää, se romahtaisi uudelleen, mutta sitä protonia ei ole. Sen sijaan laajenemisnopeus asymptoituu nollaan ja kaukaiset galaksit yksinkertaisesti vain etääntyvät yhä hitaammin.
3. Laajeneminen voittaa: Nopeaa laajenemista hillitsee gravitaatio, mutta ei riittävästi. Ajan myötä galaksit jatkavat etääntymistään toisistaan, ja vaikka painovoima hidastaa laajenemista, se ei koskaan pysähdy.

Mutta todellisuudessa havaitsemme neljännen. Näemme, että maailmankaikkeus näytti olevan tuolla ”kriittisellä” tiellä ensimmäisten muutaman miljardin vuoden ajan, ja sitten yhtäkkiä kaukana olevat galaksit alkoivat yhtäkkiä etääntyä toisistaan nopeammin. Teoreettisesti on olemassa pakottava syy, miksi näin voisi olla.

Societyn hyperwallilla vuonna 2017, sekä ensimmäinen Friedmannin yhtälö oikealla. Perimeter Institute / Harley Thronson

On olemassa hyvin yksinkertainen (no, suhteellisuusteorian kannalta) yhtälö, joka säätelee maailmankaikkeuden laajenemista: ensimmäinen Friedmannin yhtälö. Vaikka se saattaa näyttää monimutkaiselta, yhtälön termeillä on reaalimaailman merkitykset, jotka on helppo ymmärtää.

kirjoitettuna nykyään (nykyaikaisessa merkintätavassa), jossa vasemmalla puolella eritellään Hubble-laajenemisnopeus ja avaruusajan evoluutio ja oikealla puolella kaikki aineen ja energian eri muodot sekä avaruuden kaarevuus. LaTeX / public domain

Vasemmalla puolella on paisumisnopeuden (neliö) vastine eli se, mikä tunnetaan puhekielessä Hubble-vakiona. (Se ei ole varsinainen vakio, sillä se voi muuttua, kun maailmankaikkeus laajenee tai supistuu ajan myötä.) Se kertoo, miten maailmankaikkeuden rakenne laajenee tai supistuu ajan funktiona.

Oikealla puolella on kirjaimellisesti kaikkea muuta. Siellä on kaikki aine, säteily ja kaikki muut energian muodot, jotka muodostavat maailmankaikkeuden. Siellä on avaruudelle itselleen ominainen kaarevuus, joka riippuu siitä, onko maailmankaikkeus suljettu (positiivisesti kaareva), avoin (negatiivisesti kaareva) vai litteä (kaarematon). Lisäksi on vielä ”Λ”-termi: kosmologinen vakio, joka voi olla joko energian muoto tai avaruuden luontainen ominaisuus.

kosmologinen vakio (alhaalla) kehittyvät ajan myötä laajenevassa maailmankaikkeudessa E. Siegel / Beyond The Galaxy

Tämän kahden puolen täytyy olla yhtä suuret. Ajattelimme, että maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuisi, koska maailmankaikkeuden laajetessa energiatiheys (oikealla puolella) laskee, ja siksi avaruuden laajenemisnopeuden täytyy laskea. Mutta jos on olemassa kosmologinen vakio tai jokin muu pimeän energian muoto, energiatiheys ei välttämättä laske lainkaan. Se voi pysyä vakiona tai jopa kasvaa, ja se tarkoittaa, että myös laajenemisnopeus pysyy vakiona tai kasvaa.

Kummassakin tapauksessa se tarkoittaisi, että kaukainen galaksi näyttäisi nopeutuvan, kun se etääntyy meistä. Pimeä energia ei saa maailmankaikkeutta kiihtymään ulospäin suuntautuvan paineen tai antigravitaatiovoiman vuoksi, vaan se saa maailmankaikkeuden kiihtymään sen vuoksi, miten sen energiatiheys muuttuu (tai, tarkemmin sanottuna, ei muutu) maailmankaikkeuden jatkaessa laajenemistaan.

oikealla esitetty todellinen, kiihtyvä kohtalomme. Kun tarpeeksi aikaa kuluu, kiihtyvyys jättää jokaisen sidotun galaktisen tai supergalaktisen rakenteen täysin eristyksiin maailmankaikkeudessa, kun kaikki muut rakenteet kiihtyvät peruuttamattomasti pois. NASA & ESA

Kun maailmankaikkeus laajenee, syntyy lisää tilaa. Koska pimeä energia on avaruuden luontainen energiamuoto, energiatiheys ei laske, kun avaruutta syntyy lisää. Tämä eroaa olennaisesti normaalista aineesta, pimeästä aineesta, neutriinoista, säteilystä ja kaikesta muusta tuntemastamme. Ja siksi se vaikuttaa laajenemisnopeuteen eri tavalla kuin kaikki nämä muut aine- ja energiatyypit.

kehittyy/laajenee samassa ajassa, jos maailmankaikkeuttanne hallitsee aine, säteily tai avaruudelle itselleen ominainen energia, ja jälkimmäinen vastaa pimeän energian hallitsemaa maailmankaikkeuttamme. E. Siegel

Lyhyesti sanottuna uusi energiamuoto voi vaikuttaa Universumin laajenemisnopeuteen uudella tavalla. Kaikki riippuu siitä, miten energiatiheys muuttuu ajan myötä. Vaikka aineen ja säteilyn energiatiheys pienenee maailmankaikkeuden laajetessa, avaruus on edelleen avaruutta, ja sen energiatiheys on edelleen sama kaikkialla. Ainoa asia, joka on muuttunut, on tekemämme automaattinen oletus: että energian pitäisi olla nolla. No, kiihtyvä maailmankaikkeus kertoo meille, että se ei ole nolla. Astrofyysikoiden suuri haaste on nyt selvittää, miksi sen arvo on sellainen kuin se on. Tältä osin pimeä energia on edelleen maailmankaikkeuden suurin mysteeri.

Saat Forbesin parhaat uutiset postilaatikkoosi ja uusimmat näkemykset asiantuntijoilta ympäri maailmaa.

Seuraa minua Twitterissä. Tutustu verkkosivuihini tai muihin töihini täällä.

Loading …